Иммунология

Иммунология – это научная дисциплина, изучающая иммунитет, т.е. способность многоклеточных организмов поддерживать постоянство своего макромолекулярного состава путем удаления чужеродных молекул, что обеспечивает устойчивость к инфекционным агентам и резистентность к опухолям.

При своем зарождении иммунология предназначалась для решения прикладной медицинской задачи по предотвращению инфекционных заболеваний. Однако обращение к механизмам иммунитета породило вопросы, относящиеся к компетенции фундаментальной биологии. Это срединное биомедицинское положение иммунология сохраняет по сей день. Начиная с 80-х годов ХХ века она стала излюбленным плацдармом для разработки и испытания молекулярно-биологических моделей и технологий, что послужило поводом для необоснованного утверждения о том, что она является лишь разделом молекулярной биологии.

Несмотря на то, что понятие «иммунитет» распространяется как на животных, так и на растения, понятие иммунология без уточнения объекта подразумевает иммунологию животных. Лишь в последние годы наметились пути сближения иммунологии животных и растений, что, возможно, приведет в недалеком будущем к созданию единой иммунологии для обоих царств живых организмов.

↑История иммунологии

В течение двух тысячелетий фиксировались эмпирические факты, свидетельствовавшие о существовании механизмов устойчивости к инфекционным агентам и возможности ее искусственного формирования. Наиболее значительным событием в этой цепи была разработка Э.Дженнером (E.Jenner) способа предотвращения оспы путем вакцинации (прививки человеку коровьей оспы). Однако зарождение иммунологии как науки связывают с Луи Пастером (L.Pasteur), разработавшим научно обоснованные принципы предотвращения инфекционных заболеваний путем прививок живых ослабленных или убитых возбудителей. Годом рождения иммунологии как науки признан 1880 г, когда Пастер опубликовал материал, описывающий создание вакцины против куриной холеры.

В последующие десятилетия XIX века и в начале ХХ века были описаны важнейшие феномены иммунитета, в частности, фагоцитоз (способность клеток организма поглощать различные объекты, в том числе микроорганизмы; И.И.Мечников), накопление в сыворотке крови вакцинированных животных антител - белков, нейтрализующих введенные патогены или выделяемые ими токсины (Э.Беринг - E.Behring). Было введено понятие «антиген», под которым понимаются субстанции, как правило, чужеродные, которые, поступая в организм, вызывают в нем реакции, направленные на их удаление; эти реакции были обозначены термином «иммунный ответ». Эффект вакцинации был истолкован как результат индукции иммунологической памяти минуя инфекционный процесс, обычно необходимый для ее развития. Под иммунологической памятью понимается способность организма быстрее и эффективнее отреагировать на повторное поступление патогена (шире – антигена) как следствие «запоминания» первого контакта с ним. Тогда же были созданы первые теории, объясняющие механизмы иммунитета. Наиболее значительными из них была фагоцитарная (клеточная) теория И.И.Мечникова и гуморальная (отдающая первенство антителам) теория П.Эрлиха (P.Ehrlich), увенчанные в 1908 г Нобелевской премией.

В течение нескольких последующих десятилетий основное направление иммунологии состояло в создании вакцин против разнообразных инфекционных агентов. Однако в те же годы были открыт ряд новых факторов иммунитета (комплемент и т.д.), доказана связь специфических реакций иммунитета с лимфоцитами, было описано антигенное разнообразие внутри видов (группы крови, позже антигены тканевой совместимости), доказана возможность развития аутоиммунных процессов (иммунной агрессии против собственных тканей организма).

После II мировой войны основные акценты в иммунологии были перенесены на изучение клеточных и молекулярных механизмов иммунитета. Были вскрыты основы специфичности иммунного ответа, состоящие в клональном разнообразии лимфоцитов, несущих структурно различающиеся рецепторы для антигенов, установлена молекулярная природа этих рецепторов и вскрыт механизм формирования их разнообразия в онтогенезе. Было открыто явление иммунологической толерантности (неотвечаемости), формирующейся в период становления иммунной системы и лежащей в основе запрета на развитие аутоиммунных процессов. Разнообразие форм антигенспецифической иммунной защиты было поставлено в связь с наличием многочисленных разновидностей лимфоцитов (Т-, В-клетки, их субпопуляции). Открыта роль молекул главного комплекса гистосовместимости (МНС- от Major Histocompatibility Complex) в распознавании антигена Т-клетками (лимфоцитами, развивающимися в тимусе). Последний крупный прорыв в иммунологии произошел в 90е годы ХХ в., когда были открыты механизмы распознавания патогенов клетками врожденного иммунитета и установлена функциональная иерархия врожденного и адаптивного иммунитета.

Особенностью иммунологии является периодическая смена парадигм, сопровождавшаяся изменением понимания сути и целей иммунологии как науки - от изучения механизмов устойчивости к инфекциям к установлению природы и механизмов биологической индивидуальности организмов.

↑Основы современной иммунологии

Реализация защитных функций иммунитета складывается из двух процессов – распознавания чужеродных и/или опасных объектов и их удаления из внутренней среды организма. Реакции, обеспечивающие иммунитет, осуществляет иммунная система, образованная клетками кроветворного (у позвоночных – костномозгового) происхождения – миелоидными (нейтрофильные, эозинофильные гранулоциты, моноциты, макрофаги, дендритные клетки) и лимфоидными (Т-. В-, NK-клетки). У позвоночных эти клетки формируют лимфоидные органы – первичные (тимус, сумка Фабриция), в которых происходит развитие лимфоцитов, и вторичные (лимфатические узлы, селезенка), в которых лимфоциты функционируют. Диффузные скопления клеток иммунной системы присутствуют в различных органах и тканях, прежде всего барьерных (слизистые оболочки, кожа).

Хотя иммунитет функционирует как единое целое, его разделяют на врожденный и приобретенный (адаптивный). Врожденный иммунитет формируется в процессе индивидуального развития организмов. Для проявления защитных функций его клетки (в основном миелоидные, но также некоторые разновидности лимфоцитов) нуждаются в кратковременной активации. Адаптивный, или приобретенный иммунитет формируется заново при каждом поступлении в организм антигенов в форме иммунного ответа, на реализацию которого требуется около 10 сут. Иммунный ответ адресован к конкретным антигенам, что достигается благодаря клональному принципу строения лимфоидных популяций (клоны лимфоцитов отличаются по специфичности их рецепторов в отношении разных антигенов). Благодаря этому при реализации реакций адаптивного иммунитета (в отличие от врожденного иммунитета) формируется иммунологическая память, значительно облегчающая и усиливающая ответ на повторное поступление того же антигена.

↑Врожденный иммунитет

Врожденный иммунитет существует у всех многоклеточных, т.е. в течение более 2 млрд лет. Распознавание в системе врожденного иммунитета осуществляется по «паттерновому» принципу. Его суть состоит в том, что клетки несут на своей поверхности и в цитоплазматических гранулах несколько разновидностей рецепторов, способных распознать группы родственных молекул, которые выступают в качестве «образов (паттернов) патогенности», т.е. рассматриваются клеткой как маркеры опасности (и, как правило, чужеродности) для организма со стороны их носителя. Примером таких образов патогенности могут служить липополисахариды, присутствующие в клеточной стенке бактерий, но не в клетках многоклеточных организмов, двуспиральная РНК, свойственная многим вирусам, а у многоклеточных могущая присутствовать только в определенных компартментах клетки. Примером рецепторов для таких молекул являются толл-подобные-рецепторы (TL), обычно представленные десятком разновидностей на мембране и внутри клетки.

Распознавание паттернов патогенности рецептором порождает в клетке сигнальный каскад, приводящий к экспрессии ряда генов, продукты которых участвуют, во-первых, в развитии воспалительной реакции, во-вторых, собственно в реализации защиты. Воспалительная реакция служит необходимым плацдармом для осуществления реакций врожденного иммунитета, поскольку она обеспечивает мобилизацию лейкоцитов из крови в очаг проникновения патогенов и вызывает активацию лейкоцитов, превращая их в активные клетки врожденного иммунитета. Активированные клетки осуществляют удаление патогенов из организма, вызывая их гибель и последующее расщепление. Различают три варианта «убийства» (киллинга) патогенов - внутриклеточный (после поглощения путем фагоцитоза), внеклеточный (путем выделения цитотоксических субстанций) и контактный (путем индукции апоптоза через передачу сигнала или цитотоксических факторов). Фагоцитарная активность в наибольшей степени присуща нейтрофильным гранулоцитам и моноцитам/макрофагам. Внеклеточный цитолиз с наибольшей эффектвиностью осуществляют эозинофилы, контактный киллинг – NK-лимфоциты (естественные киллеры). Расщепление убитых патогенов осуществляется в результате фагоцитоза – в фаголизосомах. Гибели патогенов способствуют гуморальные факторы – компоненты комплемента, пентраксины и т.д, которые осуществляют опсонизацию, т.е. подготовку клеток, облегчающую их фагоцитоз, или через формирование пор в мембране в результате активации комплемента. В реализации врожденного иммунитета участвуют также некоторые разновидности лимфоцитов, которые, обладая клональным типом распознавания, способны осуществлять свои реакции после кратковременной активации.

Врожденный иммунитет является надежным способом защиты от многих патогенов, однако некоторые из них располагают эволюционно сформировавшимися способами избегать воздействия защитных факторов врожденного иммунитета; его недостатком является также отсутствие иммунологической памяти. Тем не менее, у всех представителей первичноротых животных, а также у низших представителей вторичноротых врожденный иммунитет надежно защищает организмы от биологической агрессии, что обеспечило их выживание в течение миллиардов лет. Иммунитет растений также может быть охарактеризован как врожденный.

↑Адаптивный иммунитет

Адаптивный иммунитет присущ только позвоночным, т.е. его возраст составляет 400-500 млн лет. Как уже упоминалось, эта форма иммунитета реализуется в виде иммунного ответа, основными участниками которого являются лимфоциты. Лимфоциты несут на своей поверхности рецепторы, специфически распознающие участки молекулы антигена (антигенные эпитопы). В процессе дифференцировки лимфоцитов включается процесс рекомбинационной перестройки генов, кодирующих их рецепторы, результатом чего является формирование индивидуального по структуре рецептора в каждом созревающем лимфоците. Потомство этих клеток формирует клоны, которые распознают конкретные эпитопы, причем клоны отличаются друг от друга по структуре как рецептора, так и распознаваемого эпитопа; сумма клонов, образующих популяции лимфоцитов, обеспечивает распознавание всех возможных эпитопов (примерно миллион вариантов). Поскольку в результате случайной перестройки генов могут возникнуть клоны, распознающие собственные антигены организма и потому способные вызвать повреждение его тканей, существует несколько механизмов защиты, среди которых - выбраковка аутоспецифических клонов и формирование регуляторных Т-клеток, подавляющих активность таких клонов, если они избежали процесса выбраковки.

Из трех главных популяций лимфоцитов – В (бурсазависимые), Т (тимусзависимые) и NK (естественные киллеры) только две первые несут антигенраспознающие рецепторы и имеют клональную структуру (NK-клетки относятся к врожденному иммунитету). Рецепторы В-лимфоцитов представляют собой белки-иммуноглобулины. Они распознают эпитопы на основе стерического соответствия (принцип: ключ-замок). Рецепторы Т-клеток представляют собой гетеродимеры иммуноглобулиноподобных молекул; существует два типа рецепторов, содержащие α- и β-цепи или γ- и δ-цепи. αβТ-клетки представляют собой классические клетки адаптивного иммунитета, тогда как γδТ-клетки относят к клеткам врожденного иммунитета. αβТ-клетки распознают не свободный антиген, а его эпитопы, комплексированные с молекулами МНС I или II типов. Эти молекулы выступают в качестве внутреннего эталона «своего». Внедрение в эти молекулы фрагментов молекул антигена происходит в результате внутриклеточного процессинга, и такие комплексы экспонируются на поверхности клеток. Молекулы МНС класса I присутствуют на поверхности практически всех клеток организма, а молекулы МНС класса II – только на специализированных клетках, называемых антигенпрезентирующими (АПК; основной вариант– дендритные клетки).

Включение иммунного ответа происходит в виде акта презентации антигена. Его суть состоит в том, что АПК вступает контакт с Т-лимфоцитом того клона, который способен распознать антигенный эпитоп, содержащийся в составе молекул МНС на поверхности АПК. В связи с редкостью клеток конкретного клона существует комплекс механизмов, определяющий доставку АПК и Т-клеток в одни и те же зоны лимфатических узлов и задержку в них клеток соответствующих клонов. В зависимости от способности распознавать эпитоп в составе молекул МНС I или II класса Т-клетки делятся на две основные субпопуляции. Они различаются молекулами мембранных корецепторов (CD4 или CD8) - молекул облегчающих распознавание комплекса МНС с антигенным эпитопом. В распознавании антигена, связанного с МНС I класса, участвует корецептор CD8, антигена, связанного с МНС класса II, – корецептор CD4. Ключевая роль в запуске иммунного ответа принадлежит CD4⁺ Т-клеткам. Сигнал, поступающий от антигена через рецептор, включает каскад событий, в конечном счете вызывающий размножение Т-клеток (что необходимо для увеличения их изначально небольшой численности) и их дифференцировки в несколько разновидностей, способных помочь (отсюда обозначение CD4⁺ Т-клеток как Т-хелперов) формированию различных эффекторных (исполнительных) клеток адаптивного иммунитета.

Разнообразие эффекторных клеток продиктовано необходимостью удалить патогены, отличающиеся по локализации – вне или внутри (в ядре, цитоплазме, гранулах) клетки. Основными механизмами удаления внеклеточных патогенов являются антитела, которые представляют собой растворимые антигенраспознающие рецепторы В-лимфоцитов и служат главным фактором гуморального варианта адаптивного иммунитета. В-лимфоцит соответствующего клона, распознавший «свой» антиген, презентирует его Т-хелперу (его разновидности, обозначаемой как Th2-клетки). В ответ В-клетка получает стимул (через контактное взаимодействие и действие специальных белков – цитокинов, выделяемых Тh2-клетками), способствующий размножению В-клетки и ее дифференцировке в плзаматические клетки. Эти клетки специализированы на выработке и секреции антител. Антитела взаимодействуют с антигенами патогенов, которые они распознают. Связывание антигена с микроорганимзом или токсином, который он выделяет, может само по себе обеспечить защитный эффект в связи с нейтрализующим или иммобилизирующим действием антитела. Однако чаще в реакцию вовлекаются факторы врожденного иммунитета. «Хвостовая» (противоположная антигенраспознающему участку) часть антитела опознается макрофагами и другими фагоцитирующими клетками и облегчает фагоцитоз патогена или вызывает активацию комплемента, что вызывает лизис клетки возбудителя и также способствует ее фагоцитозу. Другой вариант защиты от внеклеточных патогенов состоит в привлечении нейтрофилов, осуществляемом вариантом Т-хелперов, который обозначается как Th17-клетки. Нейтрофилы являются активными фагоцитами, успешно поглощают и расщепляют патоген. В случае защиты от макропаразитов, Th2-клетки привлекают эозинофилы, которые инактивируют и убивают патоген с помощью механизма внеклеточного цитолиза, о котором говорилось выше. Таким образом, Th2- и Th17-клетки «организуют» подключение механизмов врожденного иммунитета (предварительно стимулируя их), которые и завершают процесс уничтожения внеклеточных патогенов. 

Уничтожение внутриклеточных патогенов осуществляется с привлечением клеточных вариантов адаптивного иммунитета. В том случае, если фагоцитированный патоген проявляет устойчивость к внутриклеточным факторам бактерицидности, он продолжает существовать и размножаться внутри фагоцита (типичный пример – микоплазмы туберкулеза и проказы). В этом случае адекватной формой иммунной защиты становится активация макрофагов Т-хелперами типа Th1, которые воздействуют на макрофаги своим гуморальным продуктом интерфероном γ, а также через контактные взаимодействия. В активированном макрофаге усиливаются все механизмы бактерицидности, например, генерация активных форм кислорода, и включаются новые механизмы, например образование активных форм оксида азота. Как правило, это приводит к гибели внутриклеточного патогенна. Если полного освобождения от патогена не происходит, инфицированные клетки изолируются от организма путем формирования гранулемы, в которой эти клетки окружаются слоями макрофагов и Т-хелперов.

Иная иммунная стратегия используется для борьбы с патогенами, локализующимися в цитоплазме (некоторые паразиты) или ядре (вирусы). В этом случае гибель инфицированных клеток достигается в результате контактного цитолиза, осуществляемого факторами врожденного (NK-лимфоциты) и адаптивного иммунитета. Адаптивный иммунитет в этом случае представляют цитотоксические Т-лимфоциты – CD8⁺ Т-клетки, специфически распознающие антигены вируса или иного внутриклеточного патогена в составе молекул МНС класса I, представленных на поверхности инфицированных клеток. Помощь Тh1-хелперов в этом случае состоит преимущественно в поставке ростового фактора – интерлейикна 2, обеспечивающего размножение и дифференцировку цитотоксических Т-лимфоцитов.

В случае совместного проявления активности факторов адаптивного и врожденного иммунитета организму, как правило, удается преодолеть инфекцию и удалить из организма патогены. При этом эффекторные клетки, которые участвовали в иммунном ответе, быстро погибают. След иммунного ответа сохраняется в виде клеток памяти Т- и В-типов. При повторной встрече с патогеном защитные процессы осуществляются быстрее и настолько эффективно, что патологические проявления инфицирования могут не проявиться (т.е. отсутствует заболевание – в этом состоит смысл вакцинопрофилактики). Это обусловлено рядом особенностей клеток памяти: численность этик клеток в каждом клоне примерно на два порядка выше, чем в клонах «наивных» клеток, для вовлечения клеток памяти в иммунный ответ не требуется прохождения его длительных начальных этапов и процесс презентации антигена облегчается настолько, что вторичный иммунный ответ может включиться в месте поступления патогена (обычно – в барьерных тканях), а не в специализированных лимфоидных органах.

↑Прикладные аспекты иммунологии. Иммунопатология

Иммунология возникла как прикладная наука, и ее прикладной статус в разной степени проявляясь на протяжении ее развития, никогда не терял своей значимости. Начиная с 80-х годов ХХ века, во всеоружии знаний, приобретенных в области фундаментальной иммунологии, вакцинологи неперывно предпринимают попытки создания усовершенствованных вакцин с целью повышения их эффективности, ослабления побочных эффектов и расширения спектра инфекций, поддающихся вакцинопрофилактике. Следует подчеркнуть, что несмотря на определенные успехи, достигнутые в этом направлении, наиболее эффективными остаются вакцины на основе убитых или ослабленных микроорганизмов, и спектр инфекций, против которых удалось получить вакцины расширился весьма незначительно (до сих пор не существует вакцин против малярии, венерических болезней, а также эффективной вакцины против туберкулеза и проказы). Основное направление в совершенствовании вакцин состоит в создании полностью синтетических вакцинных препаратов, содержащих, наряду с компонентом, несущим специфические эпитопы патогена, функциональные группы или молекулы, активирующие клетки врожденного иммунитета. Перспективным направлением вакцинологии считается создание ДНК-вакцин, которые представляют собой препараты плазмид, содержащих ДНК, кодирующую антиген и вспомогательные молекулы. Примером нерешенной и сверхтрудной задачи вакцинологии может служить создание вакцины против СПИДа – заболевания, при котором вирус поражает клетки иммунной системы – CD4⁺ Т-лимфоциты.

Помимо инфекционной патологии, при которой иммунитет выступает в качестве защитного фактора, существуют заболевания, основой которых является нарушение функций системы иммунитета. Известны три группы таких заболеваний – иммунодефициты, аутоиммунная и аллергическая патология. Иммунодефициты обусловлены снижением функций иммунитета, два других типа иммунопатологии – ее неадекватным повышением.

Иммунодефициты разделяют на первичные и вторичные. Первичные иммунодефициты представляют собой наследственные заболевания, обусловленные мутациями генов, кодирующих иммунологически значимые молекулы. Вследствие этого выпадают все функции, выполнение которых прямо или косвенно зависит от продукта мутантного гена. Как правило, проявления первичных иммунодефицитов комплексны, однако удается вычленить заболевания, затрагивающие преимущественно врожденный или адаптивный иммунитет. Примером первых может служить хроническая гранулемная болезнь, обусловленная мутацией гена, кодирующего NADPH-оксидазу – фермент, ответственный за генерацию активных форм кислорода в фагоцитах. Следствием является ослабление бактерицидности фагоцитов, неэффективность внутриклеточного цитолиза и вследствие этого развитие гранулем. В качестве примера первичных иммунодефицитов, затрагивающих Т-клеточного звено иммунного ответа можно привести синдром ди Джорджи, при котором, вследствие нескольких вариантов мутаций, проявляющих действие в эмбриональном периоде, нарушено формирование тимуса – органа, в котором развиваются Т-клетки; результатом является выпадение разнообразных проявлений активности Т-лимфоцитов при всех формах иммунного ответа. Примером иммунодефицитов, затрагивающих гуморальный иммунный ответ, является агаммаглобулинемия Бруттона, при которой генетический дефект затрагивает протеинкиназу, участвующую в дифференцировке и активации В-клеток; следствие состоит в блокаде образования антител и выпадении связанных с ними защитных функций. Наконец, существуют разнообразные формы тяжелого комбинированного иммунодефицита, суть которого состоит в нарушении развития лимфоцитов на разных этапах дифференцировки с полным или частичным выпадением функций Т-, В- и NK-лимфоцитов. Вторичные иммунодефициты, сопровождают различные заболевания в качестве синдрома или служат результатом воздействия на организм повреждающих факторов (ионизирующие излучения, цитотоксические химиопрепараты и т.д.). Синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД), как уже отмечено, является следствием вирусного поражения CD4⁺ клеток с выпадением разнообразных функций Т-хелперов.

Причиной аутоиммунных заболеваний являются нарушения иммунологической толерантности к собственным антигенам. Поражение может быть обусловлено активацией преимущественно клеточных (цитотоксические Т-лимфоциты, Т-хелперы) или гуморальных (антитела) механизмов и может затрагивать конкретные органы (островки поджелудочной железы при сахарном диабете 1-го типа, щитовидная железа при аутоиммунном тироидите и т.д) или поражать ткани, широко распространенные в организме (например соединительную ткань при системной красной волчанке, ревматоидном артрите и т.д.). Обычно развитие аутоиммунных заболеваний обусловлено нарушением отрицательной селекции (выбраковки) аутоиммунных клонов, ослабление контроля за ними со стороны регуляторных Т-клеток. Склонность к развитию аутоиммунных процессов повышается при дисбалансах дифференцировки Т-хелперов с преобладанием активности Th17- или Th1-клеток.

Основой аллергической патологии (бронхиальная астма, аллергические бронхиты и риноконъюнктивиы, атопический дерматит и т.д.) является несбалансированное преобладание Th2-клеток, имеющее следствием усиленное образование разновидности антител (IgE), способных фиксироваться на тучных клетках. При взаимодействии с фиксированными IgE-антителами их индуктора – аллергена происходит выброс из тучных клеток гистамина и других активных субстанций, что обусловливает симптоматику (расширение сосудов, повышение их проницаемости, зуд, спазм гладкой мускулатуры, в том числе бронхиальной).

Наряду с совершенствованием традиционных методов лечения аллергической и аутоиммунной патологии развивается терапевтическая стратегия, основанная на создании соответствующих типов вакцин, назначение которых состоит в подавлении патологических форм иммунного ответа и стимуляции его альтернативных форм. Принцип вакцинации распространяется также на лечение опухолей: для этого используют онковакцины, основой которых служат дендритные клетки, нагруженные опухолеассоциированными антигенами. Пока эти направления вакцинации не дали реальных результатов, однако они рассматриваются как перспективные подходы к лечению иммунопатологии и злокачественных опухолей.

↑Рекомендуемая литература

1. Janeway Immunobiology. 8^th ed. Garland Publishing. 2010

2. Бурместер Г.Р., Пецутто А. Наглядная иммунология. М: Бином. Лаборатория знаний. 2007. 320 с.

3. Галактионов В.Г. Эволюционная иммунология. М., Академкнига. 2005.408 с.

4. Мейл Д., Бростофф Дж., Рот Д.Б., Ройтт А. Иммунология. М., «Логосфера».  2007. 556 с.

5. Хаитов Р.М., Игнатьева Г.А., Сидорович И.Г. Иммунология. Норма и патология.  М. «Медицина». 2010. 748 с.

6. Хаитов Р.М., Ярилин А.А. Пинегин Б.В. Иммунология. Атлас. М. «ГЭОТАР Медиа». 2011. 624 с.

7. Ярилин А.А.Иммунология. Учебник. М. «ГЭОТАР Медиа». 2010. 750 с.